Полупроводниковый лазер

Типичная структура полупроводникового лазера показана на рис.1.

Снизу располагается слой арсенида галлия р-типа с дырочной проводимостью толщиной около 2 мкм. Выше – слой арсенида галлия с замещением части атомов галлия (х) на атомы алюминия Al_xGa_1-xAs (x~ 0,3) – тоже р-типа. Толщина его – несколько микрон. Далее расположен активный слой (GaAs) толщиной 0,1…0,2 мкм. Еще выше – слой Al_xGa_1-xAs n-типа (электронная проводимость), толщиной несколько микрон. И, наконец, пластинка GaAs n-типа, выполняющая роль подложки. Толщина ее 100…150 мкм.

Сверху и снизу такой структуры располагаются электроды, к которым подводится электрическая энергия. Для лучшего рассеяния тепла все это помещается на теплоотвод.

Три слоя с активным слоем в центре называются двойной гетероструктурой.

«Гетеро» означает «другой». Контакт двух различных по химическому составу материалов называют гетеропереходом. Комбинацию гетеропереходов называют гетероструктурой. Гетероструктуры, состоящие из одного гетероперехода, называют простыми, из большего числа переходов – мультигетероструктурами.

Для изготовления гетероперехода на поверхности одного из материалов выращивают слой другого. Чтобы между атомами образовалась прочная связь, подбирают два вещества с близкими кристаллическими решетками.

Если к полупроводниковому лазеру приложить напряжение, то через его структуру потечет ток накачки и возникнет излучение. При небольших значениях тока накачки мощность излучения будет пропорциональна силе тока, и характер его будет некогерентным (естественное излучение), как у обычного светодиода. Но когда ток достигнет некоторого порогового значения I_пор, мощность излучения резко увеличится и начнется лазерная генерация. Пороговый ток обычно составляет несколько десятков миллиампер, а мощность лазерного излучения может быть от нескольких милливатт до нескольких ватт. Для того чтобы излучение было стабильным, ток накачки должен быть несколько больше порогового значения – примерно в 1,3 раза. Длина волны излучения определяется свойствами материалов лазерной структуры. В описываемой структуре – количеством примеси алюминия Al. Чем алюминия больше, тем длина волны меньше.

Когда к р-области лазерной структуры приложен плюс источника тока, а к n-области – минус, то в р-область инжектируются дырки, а в n-область – электроны, идущие по направлению к активному слою. В активном слое почти все электроны и дырки рекомбинируют, излучая свет (фотоны). Из-за высокого показателя преломления активного слоя фотоны не выходят в другие области структуры и усиливаются в нем благодаря вынужденному излучению. При этом роль зеркал оптического резонатора выполняют параллельные друг другу грани полупроводникового кристалла в активной области. Когда сопутствующая этому процессу добавка энергии становится выше потерь, возникает когерентное лазерное излучение.

Нежелательным явлением в работе полупроводникового лазера может быть слишком большая площадь активной области. При этом из-за пространственной неоднородности материала полупроводника генерация может возникать в хаотично расположенных по излучающему торцу каналах. Кроме того, для возбуждения активного слоя в этом случае требуется довольно большой ток, а это приводит к разогреву кристалла, нестабильности работы лазера и быстрому выходу его из строя. Поэтому активную область приходится делать достаточно узкой – порядка нескольких микрон. Это достигается путем формирования изолирующих слоев в месте контакта активного слоя с прилегающими слоями и создания определенной закономерности показателя преломления в материале активного слоя.

Еще одним недостатком полупроводникового лазера является довольно сильная расходимость излучения. Причем в горизонтальной и вертикальной плоскостях она может быть различной. Например, в горизонтальной плоскости (параллельной p-n – переходу) расходимость может быть 10…15 градусов, а в вертикальной плоскости (перпендикулярной p-n – переходу) – 30…50 градусов. Использование таких лазеров сопряжено со значительными потерями мощности излучения и необходимостью применения сложных оптических систем. Поэтому в процессе производства полупроводниковых лазеров стараются хотя бы обеспечить симметричность расходимости луча по горизонтали и вертикали.

И, наконец, последней проблемой, над которой пришлось потрудиться разработчикам и изготовителям полупроводниковых лазеров для проигрывателей компакт-дисков – это его долговечность при достаточно низкой цене. Срок службы лазерного диода, предназначенного для установки в бытовой аппарат, должен составлять, по крайней мере, сотни тысяч часов. Для этого кристалл полупроводника не должен содержать никаких дефектов, и его грани, являющиеся зеркалами резонатора, должны быть строго параллельными. Сейчас этому требованию удовлетворяют, в основном, только арсенид-галлиевые диоды с длиной волны излучения до 0,63 мкм, используемые в проигрывателях CD и DVD. Но уже разработаны и даже используются в установках записи лазерные диоды на основе нитрида галлия с длиной волны до 0,4 мкм и в самом ближайшем будущем следует ожидать появления носителей с еще более высокой плотностью записи.